2021/11/24 • 没有评论

什么是毛细现象、虹吸原理、润湿、不润湿

「毛细现象」与「虹吸原理」是我们日常生活中经常会遇到的两种自然现象，但这两种现象也经常让许多人混淆，因为这两者有点类似，都容易让人联想到液体与吸管类的物品。但两者的原理则大异其趣，「毛细现象」是液体的附着力与表面张力之间的拔河，而「虹吸原理」则是不同位置液体间的压力差异所致。

在日常生活中，卫生纸可以快速吸水、原子笔可以源源不绝的写出字（越细的原子笔笔芯内径才越可以在倒立的清况下源源不绝的写出墨水）、眼泪可以从眼睛不断地流出来、蜡烛的灯芯可以持续燃烧等都是「毛细现象」的应用。而我们每天都要用到的马桶沖水则是利用了「虹吸原理」产生的吸力将脏东西排出。而鱼缸排水与将汽油从车子油箱中用管子抽出也是「虹吸原理」的应用。

在电子组装生产中，零件在焊接中引脚爬锡则是「毛细现象」的一种体现，适当的引脚爬锡可以增零件的强焊锡强度，但爬锡如果超乎预期可就是个悲剧，经常见到的讨论是连接器的引脚爬锡达到了接触区问题。

另外，PCB制程中出现的「灯芯效应（Wick effect）」也是「毛细现象」的一种体现，因为PCB基板在机械钻孔制作PTH及via时，容易因为摩擦、振动与钻头旋转的撕扯力而造成PCB基板中的玻璃纤维纱绽开，然后在后续的电镀铜作业时，液态铜会沿着这些基板纤维间的缝隙进行浸透，严重时将造成【CAF (Conductive Anodic Filament)，电路板内微短路现象】。

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毛细现象(Capillary action)

「毛细现象」又称「毛细管作用(Capillary action)」，是指液体与固体接触时，液体本身由于内聚力(cohesive force)所产生的表面张力，以及液体与接触固体之间的附着力(adhesive Force)，所形成的一种自然平衡的趋势，特别是在细管内的液体，因为表面张力变小（毛细管中表面张力与细管半径成正比）且附着力不变的情况下，液体无需施加外力就可以克服地心引力升高液面流向毛细管的末端。

所以，植物的根部在吸收到水分后能够自行传输到末端叶片，就是经由根茎内的纤维管束巧妙利用「毛细管作用」最经典的例子。

当液体和固体（管壁）之间的附着力大于液体本身的内聚力时，就会发生「毛细现象」。不同液体放置在垂直的细管中时液面呈现出凹状或凸状、海绵以及多孔材质物体能吸收液体等皆为此现象所造成的影响。我们可以透过观察玻璃杯或是试管中的水，看见水「黏」在玻璃杯壁上并使得水面呈现U(凹)形来证明水的「附着力」。毛细管中水面的高度则会一直上升直到水的重量与附着力平衡时才会停止。

液体本身的分子与分子之间也会具有引力，就类似地球的引力，因此可以使得液体向内聚在一起，这就是「内聚力」。内聚力也是液体为了获得最小表面位能的自然倾向，而球形则是内聚力极致表现的最佳型态。例如：下雨或是小水滴滴落时会以球型落下，当两滴滴在玻璃上小水滴彼此靠近时，马上就会因为内聚力而聚成一颗大水珠。

既使在液体受到其他限制而无法形成球状物，它们也会尽量缩收其表面积并在液体表面形成一面宛如张紧的薄膜，这种使液体表面收缩的力，就称之为「表面张力」。

润湿(wetting)、不润湿(non-wetting)

在188金宝搏苹果手机下载中，我们则经常以「润湿(wetting)」这个词来形容这种现象，当液态焊锡与焊垫/焊盘或是零件引脚接触时，液态焊锡对焊垫或引脚的附着力大于液态焊锡内聚力时就可以润湿，反之就是「不润湿(non-wetting)」。不过焊锡除了润湿外还伴随有IMC生成的化学反应。

那什么因素会影响到焊锡润湿的能力呢？一样可以用附着力与内聚力来解释，当焊垫的表面金属有氧化时，就会影响到液态焊锡的附着力，也就是其表面能增加，让焊锡无法润湿。如果是锡膏氧化，想要融化锡膏就需要比较高的温度，但是温度越高氧化又会变严重，恶性循环啊。

两块玻璃之间的毛细管上升实验

将两片玻璃垂直重叠在一起，玻璃一端的边缘夹住一根2.0mm的垂直火柴棒，让两片玻璃之间的缝隙从0～2mm单面张开，用橡皮筋绑住两片玻璃后，将下端放置于水中（如下图），就可以看到水沿着两片玻璃间的缝隙上升，随着缝隙越小(左侧)，水平面上升就越高，而且可以看得出来缝隙的宽度(d)与水面上升的高度(h)刚好成反比。

宽度(d)1.4mm：水高(h)5.0mm
宽度(d)0.7mm：水高(h)10.0mm
宽度(d)0.35mm：水高(h)20.0mm

图片由 Zátonyi Sándor (ifj.), Fizped – 自己的作品, CC BY 4.0, 连结

虹吸原理(Siphon)

「虹吸(siphon或syphon)」是一种流体力学的自然现象，它透过两处不同高度液体所形成的压力差而不藉助马达或唧筒帮助的情况下就可以抽吸压力较大的液体输往压力较小的液体处。

「U型虹吸管」的运作基本上利用到了两个原理。一个是液体的「内聚力」，它让液体可以沿着虹吸管不断的往上越过原本液面的高度。另一个则是处于不同高度液体的「重力差」，或者也叫做「位能差」，不同高度的液体因为重力的关系会让高处的液体流往低处。两处液体间的流动在没有其他外力介入下将一直流动，直到高位处的液体流光，或是两处液面的高度变得一样高时才会停止流动。

我们每天都要用到的马桶沖水则是利用了「虹吸原理」产生的吸力将脏东西排出。洗脸盆下方的U形排水管虽然也有利用到「虹吸原理」，但它的设计与更大的作用是要利用其「U型存水弯」来防止排水管中臭气或其他气体逆流倒灌进室内。

图片来自Wikimedia。中国古代有一种酒器「九龙公道杯」，古希腊也有「毕德哥拉斯杯(Pythagorean cup)」都内藏虹吸管。中国古代有一种酒器叫做「九龙公道杯」，在国外古希腊也有类似的酒杯叫做「毕德哥拉斯杯(Pythagorean cup)」，这两种酒杯有异曲同工之妙，都是利用「虹吸原理」来制成酒杯，内藏玄机，如果有人贪杯，将酒杯斟得太满，超过了酒杯内部虹吸管的高度，酒就会透过虹吸管从底孔完全流光。